馮 勤，劉 續(xù)，陳 達(dá)

（中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司，上海 200120）

目前，隨著對(duì)能源需求的加劇，海洋油氣資源的勘探開發(fā)力度越來越大。自升式鉆井平臺(tái)移動(dòng)性良好，作業(yè)水深范圍較大，在中深水海洋油氣資源勘探開發(fā)中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。但是，在實(shí)際作業(yè)過程中，由于環(huán)境載荷、操作載荷和海床地質(zhì)條件等因素，自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生局部損壞失效。因此，亟需對(duì)自升式鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)安全性的判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。

由于自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較弱，結(jié)構(gòu)分析需要充分考慮結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征。平臺(tái)動(dòng)力振動(dòng)特性的研究主要有兩種方法，一是利用計(jì)算機(jī)仿真模型進(jìn)行研究，二是通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究[1]。但由于自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，給自升式鉆井平臺(tái)的計(jì)算機(jī)仿真研究和實(shí)驗(yàn)研究帶來了較大的困難。一方面體現(xiàn)在自升式鉆井平臺(tái)計(jì)算機(jī)仿真不夠精確，常常無法真實(shí)地反應(yīng)其結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性[2]；另一方面海上實(shí)驗(yàn)條件惡劣，無法準(zhǔn)確地掌握自升式鉆井平臺(tái)海上真實(shí)振動(dòng)信號(hào)[3]。目前，自升式鉆井平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)研究主要以縮放模型為主，通過振動(dòng)臺(tái)和激振器提供外界激勵(lì)的方法對(duì)自升式鉆井平臺(tái)縮放模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，而較少進(jìn)行海上現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究[4]。

本文以“勘探二號(hào)”自升式平臺(tái)為研究對(duì)象，建立了平臺(tái)USFOS 仿真有限元模型，首次提出了建立在失效概率分析基礎(chǔ)上，采用有限元仿真模型判斷自升式平臺(tái)的可靠性的計(jì)算法；同時(shí)，利用有限元模型計(jì)算得到平臺(tái)的固有周期與振型，并提出了以加速度傳感器來測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征及驗(yàn)證數(shù)字仿真模型的思路，驗(yàn)證了有限元仿真模型的準(zhǔn)確性。

1 可靠性評(píng)估理論

可靠性評(píng)估基于海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的極限狀態(tài)中的破壞準(zhǔn)則，自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的失效概率Pf為載荷水平超過結(jié)構(gòu)抗力的概率，其失效概率Pf表達(dá)式為：

式中：n為環(huán)境載荷方向數(shù)目，個(gè)；PE為環(huán)境載荷的年超越概率。

根據(jù)Shell 石油公司的結(jié)構(gòu)可靠性計(jì)算模型可知[5]，年超越概率PE為超過載荷水平E 的長(zhǎng)期載荷指數(shù)分布函數(shù)，表達(dá)式為：

式中： A和E0為環(huán)境載荷分布的特征因子，推薦A=180，E0=0.102。E 為超過載荷參數(shù)，該參數(shù)是判斷自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)失效概率計(jì)算的關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)。選取怎樣的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行PE計(jì)算顯得尤為重要。因此，根據(jù)相關(guān)研究，參考平臺(tái)的結(jié)構(gòu)失效概率計(jì)算中采用的結(jié)構(gòu)儲(chǔ)備強(qiáng)度因子RSR（Reserved Strength Ratio）作為基礎(chǔ)參數(shù)，其表達(dá)式為：

式中：Fult為結(jié)構(gòu)倒塌時(shí)極限載荷，N；F100為100 年重現(xiàn)期環(huán)境載荷，N。

自升式平臺(tái)與導(dǎo)管架平臺(tái)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析方面具有很多相似之處，結(jié)構(gòu)在海上環(huán)境荷載下的結(jié)構(gòu)失效特征和規(guī)范監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)類似。因此，自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的可靠性分析參考Shell 石油公司對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)研究的可靠性指標(biāo)，結(jié)構(gòu)失效概率閾值定為3.0×10?5。采用此可靠性評(píng)估理論計(jì)算得到自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)失效概率，若計(jì)算值低于3.0×10?5，則認(rèn)為自升式平臺(tái)是可靠安全的，否則被認(rèn)為是不可靠不安全的。

可靠性評(píng)估的流程主要分為如下四步驟：

（1）根據(jù)自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)特征建立USFOS 結(jié)構(gòu)力學(xué)模型；

（2）選取百年一遇8 個(gè)方向的環(huán)境荷載（波、流、風(fēng)）作用于平臺(tái)結(jié)構(gòu)，利用海洋工程結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件USFOS 進(jìn)行垮塌分析，計(jì)算得到平臺(tái)在不同環(huán)境方向環(huán)境荷載作用下的結(jié)構(gòu)儲(chǔ)備強(qiáng)度因子RSR值；

（3）根據(jù)Shell 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算平臺(tái)的年超越概率PE和失效概率Pf；

（4）基于Shell 海洋結(jié)構(gòu)物失效概率指標(biāo)與平臺(tái)失效概率Pf進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

2 有限元仿真模型

“勘探二號(hào)”平臺(tái)樁腿為桁架式樁腿，艏一艉二，分別編號(hào)為船艏1#、左舷3#、右舷2#樁腿。每個(gè)樁腿的橫截面形式是三角形，每個(gè)樁腿下部均設(shè)有多邊形的樁靴結(jié)構(gòu)。平臺(tái)圍阱區(qū)為方形，在艏部#2～#7 肋位設(shè)置一個(gè)圍阱區(qū)，在艉部#19～#25 肋位設(shè)置二個(gè)圍阱區(qū)。圍阱區(qū)上端設(shè)有升降室，升降裝置位于升降室內(nèi)，用以升降及約束樁腿垂直位移。升降室的頂部及圍阱區(qū)底部設(shè)有上、下導(dǎo)向，用以約束樁腿與船體之間水平相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

結(jié)合“勘探二號(hào)”平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文采用海洋工程非線性結(jié)構(gòu)分析軟件USFOS 進(jìn)行建模[6]。

（1）根據(jù)“勘探二號(hào)”平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用殼單元和梁?jiǎn)卧獊砟M自升式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，通過合理的簡(jiǎn)化，將平臺(tái)結(jié)構(gòu)離散為空間的梁-殼組合模型。平臺(tái)船體的主甲板、底板、橫艙壁以及縱艙壁等主要結(jié)構(gòu)采用殼單元進(jìn)行相應(yīng)的模擬，主要采用四節(jié)點(diǎn)殼單元，少量使用3節(jié)點(diǎn)殼單元；船體縱桁、強(qiáng)橫梁等構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，骨材、扶強(qiáng)材以及加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)未考慮。

（2）樁腿主要由弦桿、水平撐桿及斜撐桿等組成，采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。

（3）樁腿和船體采用具有適當(dāng)剛度的梁?jiǎn)卧M(jìn)行特殊的結(jié)構(gòu)布置模擬齒輪齒條連接裝置，以反映連接區(qū)域的相對(duì)柔性。

（4）樁靴結(jié)構(gòu)采用等效剛度的梁?jiǎn)卧臻g結(jié)構(gòu)模擬，樁靴底部設(shè)置為鉸支約束。

（5）結(jié)構(gòu)垮塌分析采用結(jié)構(gòu)材料非線性分析方法，充分考慮了材料屈服后的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)狀況。

根據(jù)以上模擬處理方法建立“勘探二號(hào)”平臺(tái)USFOS 有限元模型（圖1）。

圖1 “勘探二號(hào)”平臺(tái)有限元模型Fig.1 The finite element model of “Kantan 2”

3 可靠性分析

基于自升式平臺(tái)在位作業(yè)的特點(diǎn)，以及遭受意外突發(fā)情況的可能性，著重考慮樁腿水線處和樁靴入泥處的弦桿、水平撐桿和斜撐桿遭遇意外情況后桿件受損失效后的情況；考慮到平臺(tái)具有一定的對(duì)稱性及意外情況的復(fù)雜性，重點(diǎn)考慮1#和3#樁腿的桿件受損失效，桿件編號(hào)示意圖見圖2～圖3。根據(jù)平臺(tái)遭受意外突發(fā)情況的可能性及最惡劣工況的組合，著重考慮了12 種工況，工況計(jì)算見表1。平臺(tái)載荷參考“勘探二號(hào)”平臺(tái)操船手冊(cè)，平臺(tái)及固定載荷、可變荷載以及大鉤活荷載以平臺(tái)等效密度的方式施加在全船上，通過調(diào)整重心使三個(gè)樁腿的反力大致相同。井架及底座荷載按照下底座在風(fēng)暴工況下和船體的滑道梁接觸位置，施加在實(shí)際接觸點(diǎn)上。由于環(huán)境載荷作用平臺(tái)的方向不同，對(duì)每種工況考慮0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°八個(gè)不同方向環(huán)境載荷作用進(jìn)行垮塌分析，計(jì)算得到不同工況下不同方向的RSR 值，從而計(jì)算自升式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)可靠性的年度失效概率，其結(jié)果見表2。

表1 工況計(jì)算表Table 1 Load cases

表2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)可靠性概率值Table 2 Reliability probability of platform structure

圖2 1#樁腿桿件編號(hào)圖Fig.2 Elements ID of 1# leg

圖3 3#樁腿桿件編號(hào)圖Fig.3 Elements ID of 3# leg

從表2 可知，工況LC10、LC11 和LC12 年失效概率都大于3.50×10?5，超過可靠性判斷指標(biāo)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)不能繼續(xù)作業(yè)。

4 模態(tài)測(cè)試方案

4.1 測(cè)試模型

為真實(shí)有效地獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取“勘探二號(hào)”自升式平臺(tái)作為結(jié)構(gòu)模型，采用海上試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)?！翱碧蕉?hào)”平臺(tái)為自升式桁架結(jié)構(gòu)，由平臺(tái)船體、桁架式樁腿、升降系統(tǒng)和樁靴四部分結(jié)構(gòu)組成。平臺(tái)船體為多邊形箱體結(jié)構(gòu)，由5 道縱艙壁和5道橫艙壁將箱形平臺(tái)主體劃分成若干艙室，平臺(tái)有內(nèi)外兩層底板。“勘探二號(hào)”平臺(tái)尺寸為長(zhǎng)71.9 m、寬64.6 m、高125.9 m。

4.2 測(cè)試系統(tǒng)

由于壓電式加速度傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕、體積小、對(duì)被測(cè)件的影響小以及安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)[6-9]，同時(shí)考慮到自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的頻率范圍，自升式平臺(tái)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)選取壓電式加速度傳感器。

結(jié)合試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)的需求，考慮到自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的頻率特征，確定結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實(shí)時(shí)顯示軟件三部分組成。加速度傳感器通過傳輸線纜連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)USB 連接線將自升式平臺(tái)時(shí)域振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)和經(jīng)傅里葉變換（FFT）頻域數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在軟件顯示界面上。

平臺(tái)樁腿位置選擇1A202E 低頻壓電式加速度傳感器，平臺(tái)甲板位置選擇2D001 速度傳感器，甲板上放置一臺(tái)32 通道的DH5983 便攜式動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，利用USB3.0 與計(jì)算機(jī)終端通訊。表3 和表4為1A202E 低頻加速度傳感器和2D001 磁電式低頻速度傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用DH5983便攜式動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，DH5983 通過USB3.0與計(jì)算機(jī)終端連接。

表3 1A202E 低頻加速度傳感器Table 3 The 1A202E low frequency acceleration sensor

表4 2D001 磁電式低頻速度傳感器Table 4 The 2D001 magnetoelectric low frequency speed sensor

4.3 測(cè)試設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)遵循以下原則：（1）安放在平臺(tái)及船體連接處；（2）安放在剛度變化較明顯的位置處；（3）盡可安放在平臺(tái)受力均勻處；（4）左右應(yīng)對(duì)稱配置。

根據(jù)測(cè)點(diǎn)布置原則，以及自升式鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)考慮到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性，優(yōu)化設(shè)計(jì)了“勘探二號(hào)”平臺(tái)測(cè)試試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)。平臺(tái)每個(gè)樁腿各布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，平臺(tái)甲板上布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，圍阱區(qū)布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量X、Y、Z三個(gè)方向的時(shí)間信號(hào)。

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及分析

5.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

根據(jù)結(jié)構(gòu)測(cè)試試驗(yàn)方案，采用海上現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)施方式進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，1A202E 壓電式加速度傳感器采用磁力座安裝方式固定在樁腿上，2D001 速度傳感器采用橡皮泥固定在平臺(tái)甲板上，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)見圖4。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.4 The site data acquisition system

5.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試結(jié)束后即開始數(shù)據(jù)采集，采集頻率為10 Hz，現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的部分測(cè)試原始信號(hào)見圖5(a)～圖5(e)。

圖5 測(cè)點(diǎn)1～5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試原始信號(hào)Fig.5 Monitoring date of point 1～5 on site

采用傅里葉變換[10]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的相應(yīng)的頻譜數(shù)據(jù)試原始信號(hào)（圖6(a)～圖6(e)）。

圖6 測(cè)點(diǎn)1～5 頻譜數(shù)據(jù)Fig.6 The spectrum data of point 1～5

5.3 測(cè)試結(jié)果與仿真分析對(duì)比

提取各個(gè)測(cè)點(diǎn)X、Y 兩個(gè)方向的頻譜數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行加權(quán)平均，計(jì)算得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的自振周期[10-13]。采用USFOS 軟件對(duì)“勘探二號(hào)”平臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析[10]，計(jì)算提取平臺(tái)前9 階的自振周期分別為一階4.85 s、二階4.58 s、三階3.13 s、四階1.55 s、五階1.16 s、六階0.87 s、七階0.65 s、八階0.41 s 及九階0.31 s。圖7(a)～圖7(e)分別展示了USFOS 仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比。

圖7 1～5 號(hào)測(cè)點(diǎn)仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of simulation analysis and monitoring results for point 1～5

從圖7(a)～圖7(e)可以看出，平臺(tái)仿真分析的前3 階固有自振周期分別為4.85 s、4.58 s、3.13 s，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的平臺(tái)前3 階固有自振周期分別為4.83 s、4.05 s、2.84 s，與仿真分析結(jié)果相對(duì)誤差分別為0.59%、11.63%、9.08%，仿真模型計(jì)算的結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本一致。需要特別指出的是結(jié)構(gòu)的第一、二和三振型都非常靠近。前三階分別代表平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體振型。這測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所建USFOS 仿真結(jié)構(gòu)整體模型非常準(zhǔn)確，能夠反映出真實(shí)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征。另外，第4 至9 階自振周期也變化趨勢(shì)一致，這5 階振型主要為平臺(tái)結(jié)構(gòu)局部振型。也說明有限元仿真模型較為準(zhǔn)確可靠，從而驗(yàn)證了仿真計(jì)算分析的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

本文以“勘探二號(hào)”自升式平臺(tái)為研究對(duì)象，建立了平臺(tái)數(shù)字仿真有限元模型，首次提出了建立在失效概率分析基礎(chǔ)上，采用有限元仿真模型判斷自升式平臺(tái)的可靠性的計(jì)算方法；從而可以在平臺(tái)作業(yè)中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部失效時(shí)，快速判斷平臺(tái)結(jié)構(gòu)的可靠性，為平臺(tái)繼續(xù)生產(chǎn)作業(yè)提供可靠的技術(shù)依據(jù)。同時(shí)，利用有限元模型計(jì)算得到平臺(tái)的固有周期與振型，并提出了以加速度傳感器來測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征及驗(yàn)證數(shù)字仿真模型的思路；完成了海上現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)，驗(yàn)證了有限元仿真模型的準(zhǔn)確性。取得的結(jié)論有：

（1）該項(xiàng)目的研究方法和結(jié)論為判斷自升式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)可靠性提供了一種量化判斷方法，其結(jié)論可以運(yùn)用于作業(yè)者的實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中。

（2）該項(xiàng)目發(fā)明了一種采用加速度傳感器測(cè)試自升式平臺(tái)自振頻率或周期的方法；其測(cè)試結(jié)果可以與仿真計(jì)算的自振頻率或周期進(jìn)行對(duì)比分析；特別是前三階結(jié)構(gòu)主振型的對(duì)比分析，從而可以判定仿真模型的準(zhǔn)確性。

（3）該項(xiàng)目的研究成果可以用于針對(duì)性平臺(tái)的大數(shù)據(jù)庫的建立，為將來的快速平臺(tái)結(jié)構(gòu)可靠性判斷提供技術(shù)依據(jù)。

（4）針對(duì)自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征，基于加速度傳感器設(shè)計(jì)了加速度傳感器測(cè)試系統(tǒng)，能夠較準(zhǔn)確地測(cè)試自升式平臺(tái)的自振周期。